Ciekawym pytaniem, nad którym warto się zastanowić, jest: jaki byłby świat, gdybyśmy nie mieli elektromagnesów?
Podczas gdy same magnesy i ogólnie pole magnetyczne są zjawiskami występującymi naturalnie, elektromagnesy to tak naprawdę wytwór człowieka. Trzeba je było wymyślić. Biorąc pod uwagę naturę elektromagnesów, połączenie prądu elektrycznego z materiałem magnetycznym, pojawiły się w naszym życiu stosunkowo późno w historii rozwoju technologicznego.
Elektromagnesy to jedne z najpotężniejszych magnesów, jakie mamy. Z tego właśnie powodu stały się absolutnie kluczowe dla przemysłu i technologii oraz wszelkiego rodzaju przedmiotów codziennego użytku, które mamy w swoich domach. Zatem nauka o elektromagnesach jest bardziej użyteczna, niż mogłoby się wydawać. Elektromagnesy są niezwykle przydatne, umożliwiają korzystanie z wielu wygód naszej codzienności. Nie wspominając o tym, że nauka o elektromagnesie jest sama w sobie dość fascynująca.
Wróćmy do pytania: gdzie bylibyśmy obecnie bez mocy elektromagnesu?
Odpowiedź, szczerze mówiąc, w ciemnogrodzie. Nie mielibyśmy generatorów i możliwości magazynowania energii czy przesyłu prądu... Do tego pytania wrócimy jeszcze raz, później. Przyjrzyjmy się trochę teorii elektromagnesu.
Kiedy odkryliśmy elektromagnes?
Bez elektromagnesu istnieje duże prawdopodobieństwo, że nadal żylibyśmy w latach dwudziestych XIX wieku.
Technologia ta została wynaleziona dopiero w latach dwudziestych XIX wieku, kiedy dwóch niezależnych naukowców – jeden z Danii i drugi William Sturgeon z Anglii – zaczęło eksperymentować z interakcją elektryczności i magnetyzmu.
- Hans Christian Ørsted (lub Oersted) jako pierwszy zdał sobie sprawę z tego, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne,
- natomiast William Sturgeon stworzył pierwszy, prymitywny elektromagnes.
Jednak nikt do końca nie wiedział, w jaki sposób ta cewka z drutu miedzianego może wytwarzać pole magnetyczne przez następne stulecie, kiedy w 1906 roku francuski fizyk zaczął zajmować się tym problemem. Dzięki jego teorii domeny magnetycznej zbliżyliśmy się o krok do poznania zjawiska występującego z udziałem zwiniętego drutu.
Nie wspomnieliśmy jeszcze dwóch najważniejszych nazwisk w historii elektromagnetyzmu. Być może słyszeliście o Michaelu Faradayu, który odkrył zasadę indukcji elektromagnetycznej. Może znacie nazwisko André-Marie Ampère, który zaobserwował, że dwa równoległe przewody odpychają się i przyciągają w zależności od tego, w którą stronę płynie prąd, to na nadał nazwę jednostce natężenia prądu elektrycznego (Amper, oznaczenie A).
Od tego czasu elektromagnetyzm jest technologią, która rośnie w siłę, wypełniając nasz świat wynalazkami, z których znaczenia nie zdajemy sobie nawet sprawy.
Przyjrzyjmy się fizyce.
Podsumowanie: czym jest magnetyzm?
Nauka o elektromagnetyzmie opiera się na obiekcie magnesu i wszystkich związanych z nim zjawiskach: biegunach magnetycznych, sile magnetycznej i naładowanych cząsteczkach na poziomie subatomowym.
Magnetyzm to jedna z najsubtelniejszych, a zarazem najbardziej wszechobecnych sił natury — niewidzialna, lecz zdolna poruszać świat.
James Clerk Maxwell
Pamiętasz, czym dokładnie jest magnetyzm? Omawiamy to szczegółowo w naszym artykule, co to jest magnetyzm, ale dodamy tutaj małe podsumowanie. Chociaż elektrony są cząstkami tworzącymi część atomu, większość materiałów ma pary elektronów i protonów o przeciwnych ładunkach. Ładunki te nazywamy spinami i określamy jako ładunki dodatnie i ujemne.
Kiedy elektrony i protony są sparowane, ich moment magnetyczny jest neutralizowany, co oznacza, że nie mają siły magnetycznej. Gdy jednak nie są sparowane, nie ulegają neutralizacji, a w odpowiednio magnetycznych materiałach, tzw. materiałach ferromagnetycznych, wszystkie te elektrony mogą spontanicznie ustawić się w tym samym kierunku, nadając materiałowi odpowiednie właściwości magnetyczne. Ten ferromagnetyzm występuje w materiałach takich jak żelazo i nikiel.
Co to jest elektromagnetyzm?
Chociaż magnetyzm działa w ten sposób „naturalnie”, elektromagnesy działają nieco inaczej. Odkrycia takich ludzi jak Ampère, Faraday i Ørsted polegały właśnie na uświadomieniu sobie, że to nie był jedyny sposób, w jaki działał magnetyzm.
Zauważyli, że przepływ prądu elektrycznego również wytwarza pole magnetyczne. Odkrycie Ampère’a udowodniło, że przewody, w których prąd płynie w przeciwnych kierunkach, przyciągają się nawzajem.
W elektromagnetyzmie cały drut, przez który przepływa prąd, zostaje namagnesowany. To również zasługa elektronów. Zamiast po prostu kierować lub układać się w określony sposób, w prądzie elektrycznym elektrony są odłączone od atomów i przepływają wzdłuż materiału. Zapewnia to siłę magnetyczną.
Podstawowe interakcje
Jednakże elektromagnetyzm to połączenie magnetyzmu i elektryczności, ten duet jest o wiele ważniejszy niż sam elektromagnes. W rzeczywistości elektromagnetyzm jest faktycznie opisywany jako jedna z podstawowych interakcji, która motywuje wszystkie prawa fizyczne (pozostałe to grawitacja, oddziaływanie słabe i silne).
Elektromagnes - budowa, działanie, zastosowanie
Elektromagnetyzm to naprawdę bardzo skomplikowana sprawa. Jego odkrycie, a także nasza zdolność do wykorzystania jego mocy, to niezwykle ważna część rozwoju naukowego ludzkości. Dowiedz się więcej o magnetyzmie i elektromagnetyzmie!
Jak działają elektromagnesy?
Jak dokładnie działają elektromagnesy? Wystarczająco dużo słyszeliśmy o historii powstania elektromagnesów, ale jak działają?
Zasada działania elektromagnesu opiera się na tej samej zasadzie co zwykły magnes sztabkowy.
- Posiada on, jak zwykły magnes trwały, biegun północny i biegun południowy, które mają tendencję do odpychania identycznych biegunów innych magnesów.
- W ten sam sposób wytwarza pole magnetyczne, które można zaobserwować za pomocą opiłków żelaza.
Jednak różnica między elektromagnesem a zwykłym magnesem polega na tym, że elektromagnes ma znacznie silniejsze pole magnetyczne. I oczywiście można go wyłączać i włączać, wyłączając prąd. To czyni go szczególnie użytecznym.
Budowa i zastosowanie elektromagnesu
Jak omówiliśmy powyżej, fizyczne uwarunkowanie siły magnetycznej jest inne w przypadku zwykłego ferromagnesu i jego elektromagnetycznego kuzyna. W pierwszym przypadku elektrony ustawiają się w jednej linii, natomiast w drugim energia elektryczna wytwarza pole magnetyczne.
Zatem same druty są magnetyczne, jak pokazał Ampère. Aby zrobić elektromagnes, używamy bardziej wyrafinowanej metody.
Metoda ta opiera się na zwojach drutu.
Weź cylindryczny kawałek metalu ferromagnetycznego, takiego jak żelazo i owiń wokół niego zwinięty drut, zwykle wykonany z miedzi.
Gdy tylko włączysz prąd, popłynie on przez przewód i namagnesuje metal w środku, zupełnie jak magnes trwały. Wyłącz prąd, a metal przestanie być magnetyczny.
To naprawdę takie proste. I nie potrzebujesz koniecznie żelaznego rdzenia – ponieważ pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę jest już wyśrodkowane w otworze w środku cewki. Jednakże ten żelazny rdzeń, czyli „rdzeń magnetyczny”, sprawia, że elektromagnes jest jeszcze potężniejszy, tysiące razy silniejszy. Jeśli chcesz, możesz sam zrobić elektromagnes. Jednak bądź ostrożny i rób to pod nadzorem.
Znajdź fizyka korepetycje na Superprof.
Do czego używamy elektromagnesów?
Wróćmy więc do tego pytania, jak wyglądałby dzisiejszy świat, gdybyśmy nie mieli elektromagnesów? To naprawdę fascynujące pytanie i być może moglibyśmy sformułować je lepiej jako:
jakich rzeczy by nie było, gdybyśmy nie mieli elektromagnesów?
Odpowiedź mogłaby być dość długa. Możemy jednak odpowiedzieć na to pytanie, odnosząc się do niektórych z najpotężniejszych i wszechobecnych technologii wykorzystujących elektromagnetyzm. Szczerze mówiąc, działanie elektromagnesu można znaleźć wszędzie.
Poszukaj nauczyciela w okolicy, wpisując np. „korepetycje fizyka Katowice” w wyszukiwarkę Superprof.
Silniki i generatory elektryczne
Silnik elektryczny, który można znaleźć w samochodach i wszelkiego rodzaju innych maszynach, polega na oddziaływaniu pola magnetycznego z prądem elektrycznym.
- Składają się one ze stojana (statora), magnesu znajdującego się na krawędzi silnika, który pozostaje nieruchomy,
- oraz wirnika, obracającego się elektromagnesu, który jest prawie identyczny z cewką opisaną powyżej.
Gdy do cewki doprowadzany jest prąd, cewka zostaje przyciągana do stojana, który następnie zostaje odwrócony w taki sposób, że ją odpycha. W rezultacie cewka stale się obraca i wytwarza energię mechaniczną. Nawiasem mówiąc, silniki te znajdują się we wszystkim, od komputera po słuchawki, piekarnik i dysk twardy. Generatory są identyczne pod względem mechanicznym; po prostu działają w przeciwnym kierunku.
Transformatory
Biorąc pod uwagę, że linie energetyczne przenoszą setki tysięcy woltów, zanim prąd dotrze do tostera (który potrzebuje jedynie około dwustu woltów), trzeba obniżyć napięcie. Tym właśnie zajmuje się transformator.
Działa poprzez strategiczne umieszczenie dwóch cewek. Ogromne napięcie elektryczne przepływa przez pierwszą cewkę. Jeśli umieścisz obok siebie cewkę z mniejszą liczbą zwojów, prąd elektryczny przeskoczy do następnej cewki, ale będzie miał niższe napięcie. Bez tego urządzenia nie byłoby możliwości korzystania z żadnego sprzętu elektrycznego w domu.
Lewitacja magnetyczna
Jedną z najfajniejszych rzeczy, do których ludzie wykorzystują elektromagnesy, jest lewitacja magnetyczna (kolej magnetyczna Maglev). Jest to system transportu, w którym pociągi lewitują, a ze względu na brak tarcia mogą jechać szybciej i wydajniej. Wymaga to zestawu bardzo silnych magnesów. Jeden podnosi pociąg z szyn, drugi napędza go po torze.
Lubisz ten artykuł? Oceń nas!
Loading...
